预防大跨PC 梁桥开裂和下挠的措施

■乔 江 ■国家林业局昆明勘察设计院，云南 昆明 650216

通过对国内和国外大跨PC 梁桥开裂和下挠的原因进行分析证明，PC 梁桥出现开裂和下挠主要是因为预应力过于损失以及混凝土收缩徐变造成的。本文通过实际案例，对PC 梁桥开裂和下挠的原因进行了分析，然后提出了预防大跨PC 连续刚构桥开裂和下挠的预防措施，并对其实际应用效果进行了分析。

1 工程实例

某PC 连续刚构桥为一座109m +168m +109m 预应力混凝土的桥梁，引桥使用30、35m 跨预应力混凝土桥梁，主引桥使用薄壁墩作为下部结构，主梁为单箱双室界面，主梁底部宽度为13.25m，顶部宽度为20.25m，根部梁的高度为7.5m，跨中梁的高度为3m，使用C50 混凝土浇筑。下部单肢薄壁墩使用C40 混凝土，主梁采用纵向预应力进行布置，使用精轧螺纹钢体力。主梁的空间梁单元有104 个，节点有129个。

2 PC梁桥出现开裂和下挠的原因

2.1 底板纵向裂缝出现的原因

由于底板一般不设置横向预应力钢束，在各类荷载的影响下，底板就会产生纵向裂缝。在设计桥梁结构时，为了降低结构自身的重力，跨中位置箱梁设计会比较薄弱，而在底板位置设计的预应力束则比较多，在对预应力束进行张拉时，就会产生比较大的应力，由于底板处布置的钢筋比较少，就会出现开裂的情况。另外，混凝土的收缩徐变以及温差应力也是造成底板纵向裂缝的一个主要原因。

2.2 腹板裂缝出现的原因

腹板裂缝属于结构性裂缝，是一种比较常见的箱梁裂缝，大多数的裂缝会顺着梁轴线的25°～50°开裂，裂缝也多出现在剪应力比较大的支座周围，随着时间的不断增加，裂缝会上下延长，并发展至跨中受压区域，直到其宽度、长度和数量稳定后停止发展。另外一种腹板斜裂缝主要是在施工过程中张拉腹板下弯束造成的，裂缝一般会和弯束管道的走向平行，从监测结果来看，内腹板产生的裂缝要比外腹板裂缝更加严重。

2.3 梁体下挠出现的原因

(1)在设计桥梁结构时，为了降低结构自身的重量，一般会根据结构构造来确定箱梁桥腹板的厚度。但是在实际应用的过程中，由于梁底曲线和腹板较薄导致混凝土持久抗剪切储备能力达不到要求，出现自重误差，加大了恒载变形。

(2)预应力损失。当PC 梁桥预应力损失后，会增大混凝土的弹性变形，徐变变形也随着增加，增加的变形会进一步加大预应力损失，重复多次后，随着预应力损失越来也严重，将无法和外荷载产生的拉应力抵消，导致梁体出现了下挠。

(3)梁体出现裂缝。当梁体开裂后会导致应力重分布，增加梁顶板的压应力，混凝土压应力的增加不仅造成了弹性应变，并且也会增加徐变系数，导致徐变量变大，产生比较大的应力损失，在这种恶性循环的影响下，会导致PC 梁下挠严重。

3 PC梁桥开裂和下挠的预防措施

3.1 PC梁桥开裂的预防措施

3.1.1 腹板裂缝的控制

①加大箱梁腹板的厚度，提升截面的抗剪能力;②使用弯起钢束布置在腹板内部，除了可以降低腹板的剪应力和主拉应力，并且可以预防预应力混凝土箱梁腹板出现开裂;③由于箱梁腹板产生的主拉力和竖向成45 度左右，如果按照常规的方法布置竖向预应力筋，会影响其对腹板产生的主拉应力。在分析施工可行性后，按照斜向布置的方式来进行竖向预应力筋的布置，并对钢绞线进行二次张拉，如图1 所示。实践证明，斜向布置竖向预应力进行可以提高腹板的抗剪效率，使箱梁腹板的整体斜面的承载力显著提升。

图1 竖向预应力筋斜向布置

3.1.2 底板裂缝的控制

①施工过程中，要按照设计要求布置波纹管。一般情况下，底板横向裂缝多是因为布置不合理导致波纹管和设计位置不符导致偏心距出现了变化，导致抵抗弯矩不够，出现了横向开裂;②波纹管在布置时，为了避免预应力摩阻的损失，要尽量保持波纹管的平顺性，要充分张拉底板预应力;③悬臂施工过程中，为了降低施工荷载，尽量不要将施工材料堆放在桥面;④尽量不在低温环境下进行桥梁跨中合拢施工，以免温度上升造成底板开裂;⑤设计桥梁时，要对桥梁将来运行过程中可能出现的移动荷载进行考虑，充分评估二期荷载。

3.2 PC梁桥下挠的预防措施

3.2.1 跨中合拢顶推

在温度变化和混凝土徐变的影响下，会导致桥梁桥墩墩顶出现向内的水平偏位，并导致跨中下挠进一步加剧。因此，在施工的过程中，要在中跨合拢之前、边跨合龙之后，施加水平方向上的顶推力，进而产生和混凝土徐变反方向的水平位移，达到消除混凝凝土徐变变形的目的，使桥梁主墩的受力情况得以改善，降低主梁产生的跨中下挠。本工程使用千斤顶顶推的方式进行合拢顶推，在使用劲性骨架将梁体锁定。由于本工程桥墩的高度为15.7m，单肢薄壁的厚度为3m，以位移量对顶推力的大小进行控制，在不考虑合拢温差的影响下，在原设计恒载的影响下，桥墩顶水平偏移为6mm。顶推合拢对跨中挠度的影响如表1所示。

表1 顶推合拢对跨中挠度的影响

从表1 可以看出，墩顶水平位移和顶推10d 的成桥10y 跨中挠度相较于原设计降低了29.3%和21.8%，明显改善了桥梁下挠的情况。

3.2.2 增强顶板负弯矩钢束

在竖向荷载和预应力的共同作用下，预应力混凝土属于一种偏心受压结构，其徐变主要分为轴向徐变和竖向徐变两种，在只有轴向力对箱梁造成影响时，在梁高方向上应力的梯度是零，此时箱梁值会产生轴向徐变，并且轴向徐变对预应力箱梁桥的影响比较小，但是在竖向荷载的影响下，沿梁高方向的应力梯度不会为0，会产生影响桥梁后期挠度的竖向徐变，通过增设顶板负弯矩钢束可以有效调整截面的弯矩，使截面应力梯度保持为0，可以有效抑制混凝土箱梁桥下挠。

4 结论

本工程使用上述方法进行施工后，有效控制了PC 梁桥开裂和下挠的情况，提升了腹板的抗剪性能，降低了主腹板的拉应力，通过在负弯矩区箱梁底部布置钢骨架使成桥3y 的徐变跨中下挠幅度下降了36.1%，控制效果比较显著，为类似工程提供了参考经验。

［1］张楠.预防大跨PC 梁桥开裂和下挠的措施研究［D］.长沙:湖南大学，2012:1 -21.

［2］张开银，殷亮，惠国旺.PC 梁桥长束纵向预应力筋优化布置研究［J］.交通科技，2009(01):5 -8.